科学|麻省理工学院研究出“压光器”，可降低激光中的量子噪声
【科学|麻省理工学院研究出“压光器”，可降低激光中的量子噪声】北京联盟_本文原题：麻省理工学院研究出“压光器” ， 可降低激光中的量子噪声
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日前 ， 麻省理工学院的物理学家们设计了一种量子“压光器” ， 可以将入射激光束中的量子噪声降低15％ 。 这是同类系统中第一个在室温下工作的系统 ， 适用于紧凑、便携的装置 ， 从而可以添加到高精度实验中 ， 以改善激光测量 ， 因为量子噪声是其中的一个限制因素 。
这种新型挤压器的核心是一个弹珠大小的光学腔 ， 安置在一个真空室中 ， 包含两个镜子 ， 其中一个的直径比人的头发还小 。 大一点的镜子是固定的 ， 而另一面则是可移动的 ， 由弹簧状的悬臂悬挂着 。 这第二面“纳米力学”镜子的形状和构成是该系统能否在室温下工作的关键 。 当激光束进入腔内时 ， 它会在两面镜子之间反射 。 光所产生的力使得纳米机械反射镜来回摆动 ， 使得研究人员能够设计出具有特殊量子特性的光 。
激光可以在压缩态下离开系统 ， 这可以用来进行更精确的测量 ， 例如量子计算和密码学 ， 以及引力波的探测 。
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图片来源：麻省理工学院
麻省理工学院物理学副主任奈吉斯·马瓦瓦拉（Nergis Mavalvala）说：“这个结果的重要性在于 ， 你可以设计这些机械系统 ， 使它们在室温下仍能具有量子力学特性 。 这完全改变了游戏规则 ， 不仅是在我们自己的实验室里 ， 在世界范围内的大型低温冰箱里都能使用这些系统 。 ”
激光包含大量光子 ， 它们在同步波中流动 ， 产生明亮的聚焦光束 。 然而 ， 在这个有序的结构中 ， 激光的单个光子之间有一点随机性 ， 以量子涨落的形式存在 ， 在物理学中也被称为“散粒噪声” 。 例如 ， 在任何给定时间到达探测器的激光中的光子数 ， 都会以难以预测的量子方式在平均值上下波动 。 同样 ， 光子到达探测器的时间 ， 与其相位相关 ， 也可能在平均值附近波动 。
这两个数值——激光光子的数量和时间——决定了研究人员如何精确地解释激光测量结果 。 但根据量子力学的基本原理之一海森堡测不准原理 ， 同时测量粒子的位置（或时间）和动量（或数量）是不可能的 。
科学家们通过量子压缩来解决这个物理约束 ， 即激光量子特性的不确定性 ， 在这种情况下就是光子的数量和时间 ， 理论上可以用圈来表示 。 在这两个性质中 ， 一个完美的圆圈表示相同的不确定性 。 一个椭圆——一个压缩的圆——表示一个性质的不确定性较小 ， 另一个性质的不确定性较大 ， 这取决于如何操纵圆和激光量子特性中的不确定度比 。。
研究人员利用光学机械系统来实现量子压缩 ， 该系统由镜面等部件设计而成 ， 部件可以被入射的激光移动到很小的程度 。 镜面之所以会移动 ， 是因为构成光的光子对它施加的力 ， 而这个力与在给定时间内撞击镜面的光子数量成正比 。 此时镜子移动的距离与光子到达镜子的时间有关 。
当然 ， 科学家无法知道特定时间内光子数量和时间的精确值 ， 但通过这种系统 ， 他们可以建立这两种量子特性之间的关联 ， 从而降低不确定性和激光的整体量子噪声 。
目前 ， 光机械压缩已经能在需要安置在低温冷藏箱的大型装置中实现 。 这是因为 ， 即使在室温下 ， 周围的热能也足以对系统的活动部件产生影响 ， 造成“抖动” ， 抵消量子噪声的影响 。 为了屏蔽热噪声 ， 研究人员不得不将系统冷却到10开氏度（－440华氏度）左右 。
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